CN114826263A - 一种应用于分段式逐次逼近模数转换器的浮空节点校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于分段式逐次逼近模数转换器的浮空节点校准方法，涉及微电子学与固体电子学领域。本发明在MSB电容阵列上极板依次连接一个开关S_ev、一个基准电容C_ev、单刀双掷开关，单刀双掷开关连接正端参考电压V_REFP或负端参考电压V_REFN；在LSB电容阵列上极板通过可调整电容C_A与地连接，可调整电容C_A中单位电容C_D的值比SAR ADC电容阵列中单位电容C的值小两个数量级；通过控制开关的闭合来控制校准电容下极板是否与地相连，从而控制可调整电容C_A的值。只需要在MSB电容阵列上极板连接一个基准电容C_ev以及在LSB电容阵列上极板连接一个可调整电容C_A，方法简单便于电路设计；在SAR ADC上电后就进行浮空节点校准，不会影响其逐次逼近过程。

Description

一种应用于分段式逐次逼近模数转换器的浮空节点校准方法

技术领域

本发明涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域中分段电容型逐次逼近模数转换器中寄生电容的校准方案。

背景技术

近年来，由于集成电路的迅速发展，数字世界和模拟世界间的联系也日益密切，模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)以及数模转换器(Digital to AnalogConverter,DAC)建立起数字世界与模拟世界之间的通路。逐次逼近型模数转换器具有结构简单等优势成为ADC领域研究热门之一。随着SAR ADC位数N的上升，其电容阵列的面积呈指数倍增长从而造成芯片面积的损耗，增加电容阵列的驱动难度。为了解决电容阵列过大的问题，添加桥接电容组成的分段式电容阵列被广泛应用于高精度SAR ADC中。但是桥接电容上极板以及下极板引起的寄生电容会对分段式电容阵列二次性造成影响，本发明针对分段式电容阵列采用一种基于等效权重的浮空节点校准算法，降低寄生电容对分段电容阵列的影响。由于在SAR ADC电容阵列中，节点与节点之间存在寄生电容，包括MSB电容阵列上极板到LSB电容阵列上极板之间的寄生电容C_P1、LSB电容阵列上极板到地的寄生电容C_P2、MSB电容阵列上极板到地的寄生电容C_P3；由于寄生电容C_P1与C_P2直接与LSB电容阵列上极板连接，寄生电容C_P1与C_P2将会对LSB电容阵列较于MSB电容阵列的等效电容值产生影响，即LSB电容阵列中最大的电容2^L－1C从MSB电容阵列来看其等效电容值不为1/2C，从而造成了SAR ADC电容阵列的非二次性。

发明内容

本发明针对现有SAR ADC设计中桥接电容寄生电容对分段式电容阵列的影响，提出一种基于等效权值比较的浮空节点校准方案。

本发明技术方案为：一种应用于分段式逐次逼近模数转换器的浮空节点校准方法，该方法中N位SAR ADC的分段式全差分结构，P端电容阵列C_P和N端电容阵列C_N为镜像对应关系，MSB电容阵列由2^M－1单位电容C组成，LSB电容阵列由2^L单位电容C组成，其中M和L分别代表MSB电容阵列的位数和LSB电容阵列的位数，并且N＝M+L；MSB电容阵列与LSB电容阵列之间的连接电容为桥接电容C_BRI，桥接电容C_BRI的值保证MSB电容阵列与LSB电容阵列之间权重的二次性；

在MSB电容阵列上极板依次连接一个开关S_ev、一个基准电容C_ev、单刀双掷开关，单刀双掷开关连接正端参考电压V_REFP或负端参考电压V_REFN，基准电容C_ev的值等于在无寄生电容影响下LSB电容阵列中所有电容从MSB电容阵列来看的等效电容值之和；

在LSB电容阵列上极板通过可调整电容C_A与地连接，可调整电容C_A中单位电容C_D的值比SAR ADC电容阵列中单位电容C的值小两个数量级；例如，单位电容C的值为160fF，则可调整电容C_A中单位电容C_D的值为1fF；通过控制开关的闭合来控制校准电容下极板是否与地相连，从而控制可调整电容C_A的值；采用如下方法进行浮空节点校准；

步骤1：浮空节点校准方法包括采样阶段和转换阶段：首先P端电容阵列以及N端电容阵列中MSB电容阵列的下极板均连接负端参考电压V_REFN，开关S_ev闭合；

所述采样阶段方法为：P端和N端MSB电容阵列上极板连接共模电压V_CM，LSB电容阵列下极板与负端参考电压V_REFN连接，基准电容C_ev下极板与正端参考电压V_REFP连接，此时P端和N端上极板电压均为V_CM；

所述在转换阶段方法为：P端和N端MSB电容阵列上极板与共模电压V_CM断开，LSB电容阵列下极板与正端参考电压V_REFP连接，基准电容C_ev下极板与负端参考电压V_REFN连接；由于采样阶段以及转换阶段电容守恒可得此时P端和N端上极板电压之差表现为实际LSB电容阵列在MSB阵列等效的权值与基准电容C_ev之间的差值，通过比较器得出其大小关系；

步骤2：根据比较器结果改变可调整电容C_A的值，重复步骤1，由于电荷守恒可得P端和N端上极板电压之差表现为实际LSB电容阵列在MSB电容等效的权值与基准电容C_ev之间的差值，通过比较器得到其大小关系；

步骤3：重复步骤1和步骤2，直到校准周期结束。

本发明提出的基于等效权值比较的浮空节点校准算法，只需要在MSB电容阵列上极板连接一个基准电容C_ev以及在LSB电容阵列上极板连接一个可调整电容C_A，方法简单便于电路设计。在SAR ADC上电后就进行浮空节点校准，不会影响其逐次逼近过程。

附图说明

图1为8位分段式SAR ADC结构示意图。

图2为8位分段式SAR ADC电荷守恒式分析方法P端电容阵列简化示意图。

图3为图2分段电容阵列P端电容阵列等效示意图。

图4为8位分段式SAR ADC寄生电容分布P端电容阵列简化示意图。

图5为8位分段式SAR ADC浮空节点校准采样阶段P端电容阵列简化示意图。

图6为8位分段式SAR ADC浮空节点校准转换阶段P端电容阵列简化示意图。

图7为8位分段式SAR ADC浮空节点校准后P端电容阵列等效示意图。

图8为16位分段式SAR ADC浮空节点校准算法FFT结果图：(a)校准前；(b)校准后。

图9为16位分段式SAR ADC浮空节点校准算法INL和DNL结果图：(a)校准前；(b)校准后。

具体实施方式

本发明将以8位分段式SAR ADC为例，传统8位分段式SAR ADC结构如图1所示。MSB电容阵列为[8C 4C 2C 1C]，LSB电容阵列为[8C 4C 2C 1C 1C]，MSB电容阵列与LSB电容阵列之间的桥接电容为C_BRI。本发明在电荷守恒的基础上总结更为简洁的电荷守恒式电容阵列分析方法对浮空节点校准算法进行阐述，图2表示电荷守恒式分析方法P端电容阵列简化示意图。假设原始电容阵列存储电荷为零，根据LSB电容阵列上极板节点电压V_PE处的电荷守恒得到：

(V_PE-V_REFP)×8C+(V_PE-V_REFN)×8C+(V_PE-V_XPS)×C_BRI＝0 (1)通过公式(1)得到：

(V_XPS-V_PE)×C_BRI＝(V_PE-V_REFP)×8C+(V_PE-V_REFN)×8C (3)

根据公式(3)可知，存储在LSB电容阵列的电荷等效于存储在桥电容中的电荷，得到存储在LSB电容阵列的电荷为：

如图2所示的分段电容阵列的实际分数等效电容阵列如图3所示，分段电容阵列的桥接电容与LSB电容转换成[1/2C 1/4C 1/8C 1/16C]的分数电容。假设电容阵列初始存储电荷为零，存储在图3中的LSB电容阵列电荷为

Q_LSB＝V_XPS×1C-V_REFP×1/2C-V_REFN×1/2C (5)

根据公式(4)与公式(5)进行对比可得，V_REFP的系数等于1/2C，计算出C_BRI＝16/15C，公式(4)中V_REFP的系数为

其中C_LSB表示为LSB电容阵列的等效权值并且C_LSB＝1C，E_{LSB_8C}代表8C电容在LSB电容阵列中的占比比值。LSB电容阵列的等效权值与LSB电容阵列以及桥接电容C_BRI有关，一旦LSB电容阵列以及桥接电容确定，LSB电容阵列的等效权值也会被确定。根据公式(6)可得LSB电容阵列中4C在MSB电容阵列的实际权重表示为C_LSB×E_{LSB_4C}，即1/4C。图1中LSB电容阵列某一个电容C_k较于MSB电容阵列的理想权值C_{k_ideal}为

由于LSB电容阵列等效权值C_{LSB_ideal}为1C且8C在LSB电容阵列中的占比为8C/16C。因此，LSB电容阵列中8C较于MSB电容阵列的理想权值C_{8_ideal}为1/2C，其满足与MSB电容阵列中电容1C之间的二次性关系。由于分段电容阵列中存在寄生电容C_P1、C_P2和C_P3，寄生电容C_P1和C_P2直接与LSB电容阵列上极板连接。因此，C_P1和C_P2直接影响LSB电容阵列对于MSB电容阵列的等效权值。由于寄生电容C_P3只作用于MSB电容阵列，因此C_P3只会引起增益误差而不会对LSB电容阵列的等效权值造成影响。在寄生电容的影响下其LSB阵列实际等效权值C_{LSB_actual}变为

C_{LSB_actual}＝16C×(C_BRI+C_P1)/(16C+C_P2+C_BRI+C_P1) (8)

因此，LSB电容阵列中某一个电容C_k较于MSB电容阵列的实际权值C_{k_actual}为

由于寄生电容的影响，LSB电容阵列实际等效权值C_{LSB_actual}不再等于其理想等效权值C_{LSB_ideal}即1C，LSB电容阵列中8C较于MSB电容阵列的实际权值C_{8_actual}不再为1/2C，其不再满足与MSB电容阵列中1C之间的二次性关系从而影响整体的线性度。在公式(8)中LSB电容阵列中8C对于LSB电容阵列的占比E_{LSB_8C}依旧等于1/2，与寄生电容无关。如果公式中(8)中LSB实际等效权值C_{LSB_actual}的值被修正使其逼近其理想等效权值，LSB电容阵列中某一个电容8C较于MSB阵列的实际权值C_{k_actual}也将会逼近其理想权值即1/2C。本发明提出的浮空节点校准方案在于添加一个可调整电容C_A，将对LSB实际等效权值C_{LSB_actual}的值进行修正使其逼近其理想等效权值C_{LSB_ideal}，从而使得LSB电容阵列中的电容与MSB电容阵列中的电容将会满足二次性，如图5所示。LSB电容阵列的理想等效权值C_{LSB_ideal}只与LSB阵列电容组成以及桥接电容C_BRI有关且其值为

C_{LSB_ideal}＝16C×C_BRI/(16C+C_BRI) (9)

图5中额外添加一个特定的电容C_ev，其值等于LSB电容理想权重C_{LSB_ideal}。考虑加入寄生电容以及可调整电容C_A，此时LSB电容阵列的实际等效权重C_{LSB_actual}为

C_{LSB_actual}＝16C×(C_BRI+C_P1)/(16C+C_P2+C_BRI+C_P1+C_A) (10)

根据公式(10)可得，LSB电容阵列实际等效权重C_{LSB_actual}与桥接电容C_BRI、寄生电容以及可调整电容C_A有关，可以通过调节可调整电容C_A的值从而使得其实际等效权值C_{LSB_actual}逼近其理想等效权值C_{LSB_ideal}即C_ev。

浮空节点校准过程主要分为两个部分：采样过程以及转换过程。以P端电容阵列为例，在浮空节点校准过程中P端电容阵列下极板连接V_REFN且开关S_ev闭合。采样过程如图5所示，LSB电容阵列下极板与V_REFN相接，理想等效权值电容C_ev下极板与V_REFP相连。根据电容等效的分析方法可得

其中

转换过程如图6所示，P端电容阵列上极板与共模电压V_CM断开，LSB电容阵列下极板与V_REFP相接，理想等效权值电容C_ev下极板与V_REFN相连。根据电容等效的分析方法可得

结合公式(11)和公式(14)可得

同理可得N端电容阵列上极板电压为

结合公式(15)和公式(16)可得

由公式(17)可得，通过一次采样周期和转换周期就可以得到LSB电容阵列的实际等效权值C_{LSB_actual}与理想等效权值C_ev的大小关系，从而可以通过调节电容C_A的值使得其等效权值C_{LSB_actual}逼近其理想值C_ev则完成校准。在浮空节点校准完成之后，LSB电容阵列的实际等效权值C_{LSB_actual}逼近其理想等效权值即C_{LSB_actual}≈C_ev，LSB电容阵列中某一个电容C_k在校准后较于MSB电容阵列的实际权值C_{k_actual_cal}为

因此，LSB电容阵列中电容在校准后其实际等效权值趋近其理想等效权值，即[1/2C,1/4C,1/8C,1/16C,1/16C]，校准后等效电路如图7所示。因此，浮空节点校准方案解决寄生电容带来的影响，从而保证LSB电容阵列中电容与MSB电容阵列中电容的二次性。分段电容阵列校准后中的LSB电容阵列的寄生电容C_P1和C_P2以及可调整电容C_A较于MSB电容阵列被等效为一个与寄生电容C_P3并联的寄生等效电容C_{P_LSB}，C_{P_LSB}的值表示为

LSB等效寄生电容C_{P_LSB}与MSB寄生电容C_P3不会对电容阵列的二次性造成影响，只会造成增益误差。

通过MATLAB对1MS/S、16位SAR ADC进行建模仿真，将本发明提出的浮空节点校准方案应用在16位SAR ADC中，在单位电容标准差σ＝0.2％的情况下对浮空节点校准方案进行验证，1000次蒙特卡洛结果如表3-1所示且FFT结果如图8所示。

表3-1 1000次浮空节点算法校准前后MATLAB结果比较

根据图8的浮空节点算法FFT结果图可得，在同等的采样信号频率以及输入信号频率条件下，未采用排序重构算法模型的SNDR只有76.20dB、SFDR只达到93.01dB且有效位数为12.36bits，采用浮空节点校准算法模型的SNDR可以达到95.64dB、SFDR能够达到113.41dB且有效位数为15.64bits。根据FFT仿真结果，采用浮空节点校准算法使得SNDR提升19.44dB、SFDR提升20.4dB且有效位数ENOB提升3.28bits。关于是否采用浮空节点校准算法的INL/DNL仿真结果如图9所示，其中图9(a)代表未采用浮空节点校准算法，图9(b)代表采用浮空节点校准算法。可以看出，采用浮空节点校准算法的INL/DNL有可观的提升，DNL范围减少0.57个LSB，INL范围减少9.77个LSB。

Claims (1)

1.一种应用于分段式逐次逼近模数转换器的浮空节点校准方法，该方法中N位SAR ADC的分段式全差分结构，P端电容阵列C_P和N端电容阵列C_N为镜像对应关系，MSB电容阵列由2^M－1单位电容C组成，LSB电容阵列由2^L单位电容C组成，其中M和L分别代表MSB电容阵列的位数和LSB电容阵列的位数，并且N＝M+L；MSB电容阵列与LSB电容阵列之间的连接电容为桥接电容C_BRI，桥接电容C_BRI的值保证MSB电容阵列与LSB电容阵列之间权重的二次性；

在MSB电容阵列上极板依次连接一个开关S_ev、一个基准电容C_ev、单刀双掷开关，单刀双掷开关连接正端参考电压V_REFP或负端参考电压V_REFN，基准电容C_ev的值等于在无寄生电容影响下LSB电容阵列中所有电容从MSB电容阵列来看的等效电容值之和；

在LSB电容阵列上极板通过可调整电容C_A与地连接，可调整电容C_A中单位电容C_D的值比SAR ADC电容阵列中单位电容C的值小两个数量级；通过控制开关的闭合来控制校准电容下极板是否与地相连，从而控制可调整电容C_A的值；采用如下方法进行浮空节点校准；

步骤1：浮空节点校准方法包括采样阶段和转换阶段：首先P端电容阵列以及N端电容阵列中MSB电容阵列的下极板均连接负端参考电压V_REFN，开关S_ev闭合；

所述采样阶段方法为：P端和N端MSB电容阵列上极板连接共模电压V_CM，LSB电容阵列下极板与负端参考电压V_REFN连接，基准电容C_ev下极板与正端参考电压V_REFP连接，此时P端和N端上极板电压均为V_CM；

所述在转换阶段方法为：P端和N端MSB电容阵列上极板与共模电压V_CM断开，LSB电容阵列下极板与正端参考电压V_REFP连接，基准电容C_ev下极板与负端参考电压V_REFN连接；由于采样阶段以及转换阶段电容守恒可得此时P端和N端上极板电压之差表现为实际LSB电容阵列在MSB阵列等效的权值与基准电容C_ev之间的差值，通过比较器得出其大小关系；

步骤2：根据比较器结果改变可调整电容C_A的值，重复步骤1，由于电荷守恒可得P端和N端上极板电压之差表现为实际LSB电容阵列在MSB电容等效的权值与基准电容C_ev之间的差值，通过比较器得到其大小关系；

步骤3：重复步骤1和步骤2，直到校准周期结束。

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